水下声学超表面异常折射方向调控研究

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

基于核空间联合稀疏表示和指数平滑的多基地水下小目标识别

针对多基地水下小目标分类识别问题,本文提出了一种基于核空间联合稀疏表示和指数平滑的多基地水下小目标识别方法 .对水下目标多角度散射信号提取6种典型的具有信息互补性和关联性的特征,提出一种随机森林(Random Forest,RF)和最小冗余最大相关(minimum Redundancy and Maximum Relevance,mRMR)相结合的特征选择方法(RF-mRMR),得出综合的特征重要性排序结果 .通过实验得出分类模型所需的最优特征子集,达到降低数据处理复杂度和提高目标分类结果的目的 .为了捕捉到数据中的高阶结构,在联合稀疏表示模型的基础上,使用核函数将线性不可分的特征数据映射到高维核特征空间.为了充分挖掘稀疏重构后包含在残差波段中的有用信息,使用指数平滑公式对具有一定意义的残差信息进行再利用,最后由核特征空间下的最小误差准则判定目标的类别.应用本文提出的方法对4类目标的海试数据进行识别,结果表明,相较于其他7种对比算法,本文提出的改进方法具有更好的分类性能,而且大多数情况下,本文提出的算法在双基地声呐模式下具有比单基地声呐更高的识别准确率和更低的虚警率.

直角凸壁面附近非对称位置的空泡动力学行为实验研究

空化破坏现象在核电厂中广泛存在。为了更深入地揭示空化破坏的机理,本文借助高速摄影实验系统,研究了直角凸壁面附近非对称位置空泡的动力学行为。具体分析了空泡的轮廓变形,形心的移动距离和方向,以及空泡射流的方向随着空泡与壁面相对位置d、h的变化规律。本文主要结论如下:(1)空泡的变形与空泡和固体壁面的相对位置d、h有关。随着空泡与右壁面的距离d的增大,空泡的非对称性越来越弱。随着空泡与上壁面的距离h的增大,在整个空泡的动力学过程中空泡的非球形特征逐渐减弱。(2)在空泡的溃灭和再生长过程中,空泡形心会持续地向左下方移动,且形心向左移动的距离随着d和h的增大而明显减小。(3)当空泡与上壁面的距离h适当时,会产生明显的斜向左下方的射流现象,且射流方向角θ随着d的增大而增大。

内孔式旋转空化器参数对空化效果的影响

通过控制变量法使用Fluent软件对内孔式旋转空化器进行数值模拟,得到结构参数(盲孔的孔径、孔深,单排盲孔个数)和操作参数(转速、入口压力)对空化效果的影响规律:转子盲孔孔径、孔深、单排盲孔个数增加,转速(2000~3000 r/min)增加,则盲孔中气体体积增加;入口压力(1 MPa~4 MPa)增加,则盲孔中气体体积减小。实验中以纯水水样空化过程中温升和电导率的变化为空化效果检验标准,在3000~9000 r/min随着转速的增加,温升和电导率显著增加,间接验证数值模拟的结果。本文为内孔式旋转空化器的结构参数优化提供参考。

柱形空泡动力学研究综述

空化现象是核工程领域的重要研究内容,而柱形空泡动力学是其前沿方向。本文从理论和实验两个方面对柱形空泡的研究进展进行了综述。首先,本文从流体力学基本方程出发,对三种典型形式的柱形空泡动力学方程进行了详细的推导和系统的整理。然后,对这三种柱形泡动力学方程进行了比较,指出了它们在方程的形式和适用范围上的差别。此外,文章分析了方程中一些重要参数对方程预测结果的影响。实验研究方面,本文展示了柱形空泡典型的高速摄影图片以及空泡半径随时间的变化。通过将实验结果与理论结果进行对比,发现二者具有良好的一致性。

基于渗流FW-H方法的水下回转体空泡流噪声特性数值模拟

空泡流噪声对水下回转体的隐身性能和操纵稳定性具有重要影响。采用大涡模拟结合渗流FW-H方程对平头和90°锥头两种回转体空泡流噪声特性进行了数值模拟,分别分析了两种头型回转体在无空化和空化数为0.8的条件下噪声频谱特性和声指向性。通过与实验结果对比,验证了所采用数值方法的可靠性。研究表明:绕流回转体的空穴演化规律与其辐射噪声特性之间关系密切,空泡体积与声压变化存在高度负相关性,空泡局部断裂溃灭会产生强烈的声压脉冲,空泡聚集再融合阶段,两者声压又会逐渐降低。空泡流噪声的峰值频率与空泡脱落频率相对应,垂直于来流方向上由于回转体周向存在空泡而在高频段产生明显宽带峰。此外,两种头型回转体的声指向性在无空化时呈偶极子特性,而在空化条件下呈球形单极子特性。相比之下,平头回转体空穴尺度更大且其变化加速度更大,引起的瞬时噪声更强,其远场平均总声压级比锥头的大8.7 dB。

环状气囊水消声器声学性能的预测与分析

水消声器作为一种有效的噪声控制装置被广泛应用于水管路系统。分别使用模态匹配法和有限元法对环状气囊水消声器的声学性能进行仿真计算,分析气囊水消声器声学特性的原理,并研究气囊水消声器不同媒介间的特性声阻抗大小关系对消声性能的影响规律。计算结果表明:由于阻抗失配关系,在气囊水消声器中气体对声波的传递起主要反射作用。随着橡胶的特性阻抗增大,橡胶会对从水中传递过来的声波起到一定的阻碍作用。当气体体积被压缩时,气体对声波的反射衰减效果会逐渐减弱,从而使得气囊水消声器的传递损失曲线整体幅值下降,消声性能减弱。

黎曼流形下的水声测地线程函方程

介质的天然非均匀性和时变等因素决定了水声传播信道是弯曲的黎曼流形。文章基于黎曼几何理论给出了水声射线程函方程在黎曼流形上的广义形式,该形式对于欧氏空间仍然适用。通过比较介质均匀的平面与弯曲球面两种理想场景,揭示了欧氏空间与弯曲流形上声传播存在差异。基于测地线程函方程和Bellhop-3D模式的Munk声速剖面射线仿真结果基本一致,验证了文中理论的正确性。文中结果为进一步开展弯曲水声信道的建模与计算奠定了概念基础。

分布式动力吸能复合结构声纳透声窗设计研究

本文针对潜艇声纳透声窗低频水动力噪声控制需求,基于平板与声腔的耦合振动方程,利用声振传递矩阵、模态展开法以及湍流边界层脉动压力频率波数谱等,建立多层复合平板的水动力自噪声计算模型。根据动力吸振特性分析,形成分布式吸能单元控制下的平板振动噪声方程,评估分布式吸能复合结构透声窗水动力自噪声,通过循环水槽试验验证其水动力自噪声降噪效果,为新型低噪声透声窗设计提供技术支撑。

渔业声学数据后处理软件现状评述与展望:以Sonar5-Pro为例

渔业声学数据解析是渔业资源声学调查研究和应用的关键所在。目前全球渔业声学数据后处理的代表性软件主要有挪威Sonar5-Pro和澳大利亚Echoview。以Sonar5-Pro为例,开展了5个方面的研究:1)回顾了该软件自1994年以来近30年的发展历史;2)介绍了软件对声学数据进行处理的总体思路,即前处理、数据分析和结果展示3个步骤及贯穿始终的数据检视功能,以及软件的5项重要设计理念;3)介绍了该软件9项代表性功能特性的实现思路和具体方法;4)以主流分析应用鱼类生物量分析过程为例,介绍了软件的数据处理流程;5)对该软件的3项核心关键技术,即多目标跟踪(multiple target tracking)、交叉过滤跟踪(crossfilter tracker)和图像分析工具(image analysis)进行了详细介绍。研究发现,一个成熟的渔业声学数据后处理系统庞大而复杂,涉及渔业、物理学和计算机多学科知识的融合,着力加强相关领域交叉学科人才培养,充分借鉴吸收国外已有先进理念和成熟技术,基于各种应用场景需求研发具有自主知识产权的分析软件,采用引进消化吸收再逐点突破最终集成创新的方式,可以作为未来提升中国渔业声学数据解析能力和水平的重要发展途径。

敷设声学覆盖层平板流激声辐射研究

声学覆盖层被广泛应用于水下航行器降噪设计,但对其流激声辐射研究相对较少。本文首先利用非相关平面波合成湍流脉动压力,并结合振声有限元模块建立流激声辐射数值算法,以水下四边简支平板流激辐射噪声为例与解析解进行对比验证;然后以三维弹性理论解析解为基础,建立敷设声学覆盖层平板辐射噪声有限元模型。最后,探讨敷设声学覆盖层平板流激声辐射产生机理以及影响覆盖层降噪性能的关键参数,为水下结构声隐身提供技术支持。

基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强

双曲调频信号是主动声呐中常用的多普勒不敏感信号。在实际使用中,由于信道变化和混响影响,目标回波较弱。针对水下航行器主动声呐探测性能下降问题,本文提出基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强方法。该方法对目标回波和干扰信号的基矩阵分别定义,将发射信号的时频图作为目标回波的频率信息矩阵,对目标回波的时间信息矩阵做出约束,迭代处理完成目标回波的增强,获得较高增益的匹配回波检测结果。数值仿真和海上试验结果表明:本文方法与传统匹配滤波方法相比,其峰均比值提高了2 dB以上,提高了回波检测结果。

超声场中气泡运动规律及其与枝晶相互作用机制

采用有限元模拟和高速摄影实验研究了液体中单个气泡在超声作用下的振荡及溃灭规律,并揭示了气泡空化与邻近枝晶间的相互作用机制.结果表明,增大驱动声压促使气泡振荡模式由体积振荡转变为分裂振荡,从而显著地提升液体中的瞬态压强和流动速度.当气泡下方存在一个枝晶时,随着驱动声压的增加,二次分枝的断裂模式发生从高周疲劳断裂向低周疲劳断裂再到过载断裂的转变,且断裂周期呈幂函数下降趋势.气泡距离枝晶越近,压缩状态下气泡的纵向半径逐渐大于横向半径,且压缩时间增加,最小气泡体积降低.另外,气泡与枝晶距离的减小导致气泡溃灭产生的最大压强显著降低,而最大流速呈现先增大后降低的趋势.若二次分枝的根部半径减小或长度增加,二次分枝疲劳断裂周期数显著减小,从而更容易诱发枝晶碎断.理论计算的气泡膨胀收缩和二次分枝断裂过程与实验结果基本一致,表明本文构建的模型能够准确预测超声场中的气泡运动及其与枝晶相互作用过程.

时频分析与小波变换在水声定位中的应用

文章研究一种基于联合时频小波分析的水声目标识别和定位方法。先深入研究时频分析和小波变换的基本原理,构建联合时频小波域的特征表示,再使用MATLAB软件对模拟的水声信号进行实验,并通过添加噪声模拟实际环境。实验结果表明,联合时频小波分析在水声目标识别和定位中表现出良好的性能,特别在噪声环境下表现出良好的健壮性。通过分析目标识别函数和归一化目标识别函数成功定位水下目标,验证了方法的有效性,为水声信号处理提供了一种新的分析方法,为实际应用中的目标检测与定位提供了有益参考。

组合传感器在水声通信中的应用

文章深入探讨了组合传感器在水声通信中的具体应用,特别是在环境监测与数据采集、信号优化与干扰管理、导航与定位以及水下监控与安全等方面,并分析了组合传感器在实际应用中面临的挑战,包括技术集成的复杂性、环境适应性、数据处理以及能源管理等问题。本研究旨在为水声通信领域的技术发展提供新的视角和思考,以促进相关技术的进一步应用。

含覆层圆柱空腔的声学材料水下吸声特性研究

针对增加水下空腔谐振型声学材料的孔隙率导致吸声系数下降的问题,在声学材料的圆柱空腔外包覆多层覆层结构,提出了含覆层圆柱空腔的声学材料。采用有限元方法计算了声学材料的吸声系数,相比含圆柱空腔的声学材料,覆层圆柱空腔使声学材料具有更低的吸声频带和更高的吸声能力。通过计算单极共振频率揭示吸声机理,覆层圆柱空腔比圆柱空腔具有更低的单极共振频率,使声学材料的频带更低。功耗密度场分布结果表明,多层覆层结构提供了更多的交界面,声波的散射增强从而声能损耗加剧。研究了多层覆层结构的模量和厚度分布形式对吸声性能的影响,模量呈正梯度变化与厚度呈负梯度变化的多层覆层结构分布形式能够使吸声覆盖层获得较好的低频吸声性能。

非合作线谱声源分布式定位方法

非合作目标定位是水声定位领域的研究热点。为充分挖掘并利用各类可观测参数,提高非合作目标定位能力,提出一种基于目标频率变化信息的非合作目标定位方法。该方法针对匀速直线运动目标的定位问题,首先根据多普勒频移原理,建立观测频率与目标辐射频率、目标运动速度、位置之间的函数映射关系,利用最小均方准则建立目标函数,通过优化算法估计分布式定位系统中各个测量单元与目标运动轨迹的致近点距离,最后综合各观测节点的测距结果,构建几何定位模型,求得目标运动轨迹的解析解。通过仿真分析,证明了该方法的有效性,并指出了该方法需要目标通过与各测量单元的致近点才能获得较好的距离估计能力。文中分析了不同频率估计精度对定位精度的影响,结果表明,提出的定位方法对测频精度具有一定的容限,是一种高精度的非合作线谱声源定位方法。

北极双声道波导声传播特性分析

北极波弗特海域下特殊的双声道声速结构对水下声传播产生深刻影响,本文利用第9次北极科学考察数据,研究了双声道波导的声传播特性,分析了波弗特声道显著声捕获能力的机理。研究发现:当声源频率足够高时,一些模态会被捕获在波弗特声道中,这些被捕获模态将不受海冰或海床影响,能量损失较小。当声源位于声道内时,激发出的被捕获模态使得声波能够远距离传播。另外,这些被捕获模态的声学特性仅与波弗特声道内的声速变化有关,在声场中传播较为稳定,能够形成稳定的干涉结构。

浅海质点振速场强度的深度分布特性

质点振速场强度的深度分布特性对水声探测与估计具有重要影响.基于简正波非相干模态和变换到角度积分的近似条件,推导出质点振速的非相干简正波的角度积分形式,避免了本征值和本征函数的复杂计算,并揭示了质点振速强度在声源深度及对称深度具有显著变化特性的物理机理.数值结果表明:非相干质点振速的角度积分解析式可实现快速计算,并可较好地表征出质点振速强度的深度分布特性;同时,由于简正波模态幅度函数的叠加效应,垂直质点振速与水平质点振速的深度分布存在显著差异性;随后,以质点振速强度差为研究对象,分析了水平距离、声源频率、声速剖面及海水深度等参数对质点振速场强度的深度分布特性的影响.相关结论可为基于矢量场的被动目标深度估计提供理论依据.

沉积层海底界面Scholte波水池实验

海底界面Scholte波具有衰减小、传播距离远等特点,可应用于水下目标探测与海底参数反演。在实际海洋环境中,海水与弹性海底之间的沉积层会对Scholte波的激发和传播产生显著影响。该文利用缩比原理设计并开展水池实验研究,将实际海洋环境按1:5000的比例缩比至实验室水池尺度,利用声压场Scholte波识别方法在包含沉积层的实验环境下对Scholte波的激发与传播规律进行探究。实验结果表明,该实验条件下,1 mm厚度的沉积层时海底界面依然有Scholte波激发,但沉积层的存在会增大其衰减;而厚度超过1 mm的沉积层会导致Scholte波无法激发。根据缩比原理,实验环境对应为声源频率10 Hz、水深3000 m、沉积层厚度5 m的实际海洋环境,即在上述实际海洋环境中,海底界面Scholte波仍可以正常激发,而厚度大于5 m的粉沙质沉积层会导致Scholte波无法激发。